السلف في التكنولوجيات الكيمائية الكهربية توليد الطاقة الكهربائية النظيفة

وثمة بديل واعد آخر هو مفاعل الغدة الكيمبرائية الكهروكيميائية الذي يدمج حمضاً انتقائياً لا يسمح إلا لثاني أكسيد الكربون بالوصول إلى سطح الكهروود، مما يزيل الحاجة إلى تنظيف الغازات فوق سطح المجرى ويبسط النظام العام، وقد أظهرت الاختبارات التجريبية كفاءة إزالة تزيد على 98 في المائة، مع زيادة الفوائد لإنتاج حمض السلفوري المركز الذي يمكن بيعه في السوق الكيميائية، مع وقف إنتاجه.

الاختراق الكيميائي للثدي

(ب) أكسيد النيتروجين هو ملوث رئيسي آخر من احتراق الفحم، يسهم في غسيل المياه والمطر الحمضي، ويجري أيضاً تطوير أساليب الكيماويات الكهربية لمعالجة النيتروجين في نفس الوقت مع إزالة ثاني أكسيد النيتروز، وفي إطار مركب الكهروكيميائي، يتم أولاً تأكسُّم النيتروجين إلى ثاني أكسيد النيتروز في المنعطف، ثم يخفض كل من الأنواع إلى غاز النيتروجين (N2) في إطار التصميم.

الكابتات الكهربائية الكيميائية وتحويلها

ويعدّ إنتاج ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن في محطات توليد الطاقة أكثر الاستراتيجيات مباشرة لتخفيف الآثار المناخية للفحم، كما أن النظم التقليدية للتنظيف القائم على الأمين هي نظم كثيفة الطاقة، وتتطلب بخاراً كبيراً لإعادة إنتاج المذيب، مما يقلل من الكفاءة الصافية لمصنع الطاقة، كما أن احتجاز الكربون المغناطيسي يتيح وسيلة لخفض تلك العقوبة في الوقت الذي يفتح فيه الباب أيضاً لتحويل ثاني أكسيد الكربون المأسر إلى منتجات قيمة.

EIectrochemical Membranes for CO2 Separation

وتستخدم نظم الأيتام الكيميائي الكهربية الكيميائية مادة مائية قابلة للتداول بصورة انتقائية، مقترنة بفولط مطبق لحمل ثاني أكسيد الكربون عبر الأغبار، ومن أكثر التصميمات تقدماً خلية الوقود المزودة بمركبات الكربون المفلورة المستخدمة كعامل تركيز ثاني أكسيد الكربون، وفي هذه التشكيلة، يغذي غاز المداخن على مركب الكمائن، حيث يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع إطلاقات الكربون(32).

استيعاب الكهرباء

A newuring degradation, known as electro-swing adsorption, uses electrodes corodes coated with materials that bind CO2 when a voltage is applied and release it when the voltage is reversed. Redox-active polymers, such as polyanthraquinone, and certain quinone-based compounds have shown high CO2 capacity and rapid shifting kinetics.

تحويل ثاني أكسيد الكربون

وبعد أن يتم أسر ثاني أكسيد الكربون لا يتعين تخزينه تحت الأرض؛ ويمكن تحويله بالكهرباء إلى مواد كيميائية ووقودية مفيدة، وقد تم دراسة العوامل الحفازة القائمة على النحاس من أجل خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى إيثيلين، والإيثانول، والميثان، وقد حققت أوجه التفاوت في الآونة الأخيرة في تصميم المواد الحفازة، مثل استخدام الجسيمات النانوية النحاسية ذات الوجهات الكريستالية المحددة، نسبة مئوية من الإيثيل الخفيف.

Fuel Cell Technologies for Coal-Derived Syngas

وبدلا من حرق الفحم مباشرة، ينطوي مسار آخر على أول تزيين للفحم لإنتاج الغازات السائلة (خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون)، الذي يُطعم بعد ذلك في خلية الوقود، وتصبح خلايا وقود أكسيد الصلب جذابة بوجه خاص لهذا التطبيق لأنها يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية (700-000 1 درجة مئوية)، مما يجعلها تتسامح مع بعض الشوائب في الغازات الاصطناعية ويسمح بإجراء إصلاحات داخلية.

وقد حققت البلدان الحديثة العهد بمركبات الكربون الصغيرة جداً كفاءة كهربائية تبلغ 60-65 في المائة، مقارنة بنسبة 33 إلى 40 في المائة من محطات البخار التقليدية التي تعمل بالفحم، وعند الجمع بين دورة القاع التي تلتقط حرارة النفايات، يمكن أن تبلغ كفاءة النظام عموماً 85 في المائة، وهذا التحسن المثير يعني أن هناك حاجة إلى قدر أقل بكثير من الفحم لإنتاج كل كيلوواط ساعة من الكهرباء، مما يقل مباشرة استهلاك الوقود والانبعاثات.

تركيز جهود البحث على تحسين قدرة برمجيات SFC عند التعرض لملوثات التعقب التي وجدت في الغازات المستخرجة من الفحم، وخاصة مركبات الكبريت والزرنيخ، وقد أظهرت المواد الأنودية مثل الأسمنت المكعب وبطانات البلطيوم مقاومة لتسمم الكبريت على مستويات تصل إلى 50 جزءاً من المليون.

خلايا الوقود المباشرة للكربون

وربما تكون خلية الوقود الكربوني المباشر هي أكثر النهج الكهروكيميائي جذرياً في الطاقة الفحمية، بدلاً من أن تُغزّ الفحم أو رده بالهواء في المغلي، يستخدم الـ دي سي الكربون الصلب مباشرة كوقود مائل، وتُتأكسد الكربون في الهواء الكهربي، وتُطلق منه الإلكترونية، وتُنتج ثاني أكسيد الكربون في المائة من الصبغة الميكانيكية)٢(.

والتحدي الرئيسي الذي يواجهه الـ دي.دي.بي.ك هو القدرة المحدودة على التفاعل بين الكربون الصلب، ولتجاوز ذلك، وضع الباحثون عدة هياكل خلوية، وفي مادة الهيدروكسيد المتحركة، تتكون هذه المادة من حمام من الصوديوم الرطب أو الهيدروكسيد البوتاسيوم الذي تُعلق فيه جسيمات الكربون، وتيسر الآلات الهيدروكسيدية أكسيد الكربون عند درجة حرارة أعلى نسبياً (400-00).

وتشمل الابتكارات الحديثة استخدام مواد الكربون المستمدة من الفحم مع المسامع المصممة والمجموعات الوظيفية السطحية لتحسين معدلات التفاعل، كما أثبت الباحثون وجود نظم مختلطة لمركبات الكربون الكلورية فلورية - مركبات الكربون المشبع بالفلور، تدمج الكربون مباشرة في معبر خلية أكسيد صلبة، وتجمع بين مرونة الوقود لدى مركبات الكربون البيرفلورية العالية الاستخدام الكربوني لمركبات الكربون الديموفلورية فلورية، وقد أظهرت هذه النظم الهجينة وجود كثافة طاقة تقترب من 300 متر مكعب.

التحديث الكيميائي لل الفحم قبل الحرق

وثمة استراتيجية ناشئة أخرى تتمثل في استخدام العمليات الكهروكيميائية لتمهيد الفحم نفسه، وإزالة الشوائب المعدنية، وتأكسد مصفوفة الكربون جزئيا لإنتاج وقود أنظف وأكثر تفاعلا، واستخدام الغسل الكهربي حقل كهربائي لتوصيل الأيونيات إلى هيكل طيور الفحم، وفك الكبريتات الرطبية وبعض المعادن التي تعمل بالرش في شكل رماد.

كما أن تكسد الفحم الكيميائي الكهربي لإنتاج الهيدروكربونات المكسورة يكتسب الاهتمام، وفي هذه العمليات، يُستَنبط الفحم في كهروليت حامض ويُحتفظ به في الإمكانات المُنووية، مما يؤدي إلى تسمم الكربون في شكل حمض كوقود ثاني أكسيد الكربون، وحامضات الكوكب، ومركبات أخرى، وفي حين أن هذا ليس مساراً مباشراً لتوليد الطاقة الكهربائية، فإنه يمكن أن ينتج فائضاً من المواد الكيميائية في آن واحد.

التكامل مع الطاقة المتجددة

ويمكن أن تُحوَّل بسرعة إلى درجة أكبر من القدرة على الاندماج في مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية، بينما يمكن أن تُحوَّل العمليات الكيميائيـة الكهرومغناطيسية مثل ثاني أكسيد الكربون والتحلل الكبريتي، على أساس ترتيب ثوانٍ لتصنيفها كشكل مرن، يساعد على توازن الشبكة، ويمكن خلال فترات ارتفاع الإنتاج المتجدد، تحويل الكهرباء إلى إنتاج كروزي().

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وفي حين أن التقدم التقني مثير للإعجاب، فإن العقبات الهامة ما زالت قائمة قبل أن يتم نشر هذه التكنولوجيات الكهروكيميائية على نطاق واسع على أسطول الفحم العالمي، والتحدي الأول هو التكلفة، إذ أن العديد من المواد المحفزة والمواد الوسيطة المتقدمة المستخدمة في الخلايا الكهروكيميائية باهظة الثمن، وأن عمر الاختناق لا يزال قصيرا جدا بالنسبة لدورات التشغيل النموذجية لمحطة توليد الطاقة الكهربائية، وعلى سبيل المثال، فإن عدد الساعات التي تستغرق ما يقرب من ٠٠٠ ٦٠ ألف وأربعين ألف وأربعين وأربعين وأربعين وأربعين وأربعين وأربعين وأربعين ألف وأربعين ألف وأربعين وأربعين وأربعين وأربعين ألف وأربعين وأربعين وأربعين ألف وأربعين ألف وأربعين ألف وأربعين ألف وأربعين سنة، وأربعين ساعة.

وتثير قابلية المواد للدوافع قلقاً ذا صلة، إذ أن درجات الحرارة العالية في التشغيل، والكهرباء المضغوطة، والتعرض لملوثات التعقب في مجاري الفحم المستخرجة، كلها عوامل تتسارع في التدهور، وتتواصل البحوث في المعاطف الواقية، والسراميات المتقدمة، ومواد التسخين الذاتي، وتسفر عن نتائج واعدة في الأجل القريب، وثمة مسألة أخرى هي إدماج النماذج الكهروكيميائية مع معدات التدريب على موازينات الغازات.

وعلى صعيد السياسة العامة، فإن وجود بيئة تنظيمية داعمة تقدر خفض الكربون وتوفر سعراً لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون سيكون ضرورياً لدفع عملية التبني، كما أن قانون الولايات المتحدة لخفض التضخم والسياسات المماثلة في بلدان أخرى توفر ائتمانات ضريبية لاحتجاز الكربون وإزالته، مما يعود بالنفع المباشر على نظم التقاط الكهروكيميائي، غير أن مستوى الإعانة قد يحتاج إلى زيادة لسد الفجوة بين التكاليف الحالية وأسعار الكهرباء السوقية.

ويمكن أن يستخدم مرفق " الفحم الإلكتروني " في المستقبل العلاج الكهروكيميائي لتنظيف الوقود، وإطعام الفحم إلى مركز كربوني متعدد الكلور أو نظام كربون مزود بمقياس للغاز العضوي لتوليد الطاقة الكهرمائية العالية الكفاءة، ثم استخدام أجهزة قياس الكهرمائية الكهروكيميائية لاستخلاص أي ثاني أكسيد الكربون من العادم.

خاتمة

فالتكنولوجيات الكيمائية الكهربية تعيد تشكيل إمكانيات توليد الطاقة الكهربائية من حيث الكبريت والكربون إلى خلايا الوقود المباشر وتحسين الفحم، وهذه الأساليب تتيح طرقاً لخفض الانبعاثات بدرجة كبيرة مع الحفاظ على كفاءة إنتاج الكهرباء أو زيادة هذه الكفاءة، ويستلزم المسار المستقبلي مواصلة الاستثمار في علوم المواد، وهندسة النظم، ودعم النشر من أجل نقل هذه التكنولوجيات من المختبر إلى محطة توليد الطاقة الكهربائية، مما يجعل المناطق التي لا تزال تعتمد على أمن الطاقة الكهربائية وتحقيق الاستقرار الاقتصادي.